[论文解读] Black-hole masses of distant quasars

M. Vestergaard|ArXiv.org|Apr 17, 2009

Relativity and Gravitational Theory参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文主张使用基于宽线谱线宽度和连续谱光度的质量缩放关系，作为估算遥远类星体中黑洞质量的最可靠方法，统计不确定性约为4倍。研究发现，红移 z ≈ 4–6 的类星体中，黑洞质量约为10亿至100亿倍太阳质量，表明其在早期宇宙中快速增长，且存在接近10^10 M☉的自然质量上限。

ABSTRACT

A brief overview of the methods commonly used to determine or estimate the black hole mass in quiescent or active galaxies is presented and it is argued that the use of mass-scaling relations is both a reliable and the preferred method to apply to large samples of distant quasars. The method uses spectroscopic measurements of a broad emission-line width and continuum luminosity and currently has a statistical 1 sigma uncertainty in the absolute mass values of about a factor of 4. Potentially, this accuracy can be improved in the future. When applied to large samples of distant quasars it is evident that the black hole masses are very large, of order 1 to 10 billion solar masses, even at the highest redshifts of 4 to 6. The black holes must build up their mass very fast in the early universe. Yet they do not grow much larger than that: a maximum mass of about 10 billion solar masses is also observed. Preliminary mass functions of active black holes are presented for several quasar samples, including the Sloan Digital Sky Survey. Finally, common concerns related to the application of the mass scaling relations, especially for high redshift quasars, are briefly discussed.

研究动机与目标

• 评估并倡导使用质量缩放关系作为估算大样本遥远类星体中黑洞质量的首选方法。
• 量化从高红移类星体的发射线宽度和光度推导出的质量估计的可靠性和不确定性。
• 探讨观测到的黑洞质量对早期宇宙中生长和反馈机制的影响。
• 通过光致电离模型和反应迟滞测量对比，解决高红移类星体中质量系统性高估的担忧。

提出的方法

• 通过 M_BH ∝ R_L × (ΔV)^2 的维里定理关系，其中 R_L 是根据 R–L 关系估算的宽线区半径。
• 应用 R–L 关系（R ∝ L^0.5）利用连续谱光度估算宽线区到中心源的距离。
• 将宽发射线（如 C IV、C III]）的全宽半最大值（FWHM）作为速度弥散 ΔV 的代理。
• 通过本地 M_BH–σ* 关系校准质量标度，假设静止的本地黑洞代表活跃系统的零点。
• 通过与反应迟滞测量数据和光致电离模型对比，验证该方法并测试系统偏差。
• 将该方法应用于大样本类星体，包括斯隆数字巡天数据，以推导初步的黑洞质量函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量缩放关系能否为大样本高红移类星体提供可靠且准确的黑洞质量估计？
• RQ2 利用单次测光谱的 FWHM 和光度估算的黑洞质量，其统计不确定性是多少？
• RQ3 由于喷流、电离效应或非维里线宽展宽，高红移类星体中的黑洞质量是否存在系统性高估？
• RQ4 观测到的黑洞质量对早期宇宙中生长 timescales 和最大质量限制有何影响？
• RQ5 遥远类星体推导出的黑洞质量函数与本地黑洞质量函数及理论模型相比如何？

主要发现

• 使用质量缩放关系估算黑洞质量的统计 1σ 不确定性约为 4 倍，其中基于 C IV 的关系显示出更低的不确定性。
• 红移 z ≈ 4–6 的类星体中，黑洞质量为 10 亿至 100 亿倍太阳质量，表明早期宇宙中存在极快速的生长。
• 观察到一个约 10^10 M☉ 的自然质量上限，表明黑洞达到最大质量后停止增长或进入休眠状态。
• 即使考虑高电离喷流或非维里线宽展宽，也无强烈证据表明黑洞质量被系统性高估。
• 光致电离建模表明，若质量被高估 10 倍，则 C III] 发射将不可能出现，但其显著观测结果表明质量估计正确或偏保守。
• 高红移类星体的观测质量函数显示，10^10 M☉ 的黑洞在本地极为稀少，与早期快速增长及随后的熄灭一致。